W artykule opisujemy, w jaki sposób innowacje techniczne wspierają wysiłki zmierzające ku ograniczeniu zmian klimatycznych oraz redukcji emisji gazów cieplarnianych.
2 szybkie fakty
⇒ Termin „elektryfikacja ogrzewania budynków” (bulding electrification) opisuje przejście na wykorzystanie energii elektrycznej do celów ogrzewania i gotowania zamiast wykorzystywania jak do tej pory paliw kopalnych. Celem tej zmiany jest doprowadzenie do sytuacji, w której w budynkach będzie wykorzystywana jedynie energia elektryczna, wytwarzana ze słońca, wiatru oraz innych źródeł niepowodujących emisji dwutlenku węgla.
⇒ Elektryfikacja ogrzewania budynków stworzy czystsze powietrze, zdrowsze domy, lepsze stanowiska pracy oraz lepszą pozycję pracowników. Ponadto rozszerza ona dostęp do tańszej, czystej energii oraz zwiększa efektywność energetyczną. Dzięki temu rachunki płacone za energię elektryczną oraz zanieczyszczenie środowiska będą niższe.
Elektryfikacja ogrzewania budynków staje się jednym z głównych narzędzi w walce ze zmianami klimatycznymi oraz emisją gazów cieplarnianych. Do wytwarzania czystszej energii elektrycznej wykorzystuje się energię wiatru, słońca i wody. Znaczenie ma jednak także ograniczenie zużycia energii poprzez większe wykorzystywanie zasobów natury, np. za pomocą pomp ciepła.
Rynek powietrznych pomp ciepła rośnie w stałym tempie wraz z adopcją technologii opartej na inwerterach (falownikach). Chociaż nowsze konstrukcje takich pomp mogą utrzymać ogrzewanie budynków, dostosowując cykl chłodniczy do niższych temperatur powietrza na zewnątrz, to jednak absorpcja energii cieplnej z powietrza o temperaturze 0°F (-17,8°C) nie jest efektywna.
Natomiast geotermalne albo gruntowe pompy ciepła rozwiązują problem pobierania ciepła z otoczenia w niskich temperaturach, ponieważ na pewnej głębokości w ziemi panuje stała temperatura: od 50°F do 60°F (od 10°C do 15,6°C). Zwiększa to sprawność energetyczną podczas ogrzewania i chłodzenia. Największą przeszkodą na drodze do adopcji pomp ciepła zawsze były i są studnie oraz związane z nimi koszty.
Studnie dla zamkniętych systemów pomp ciepła nie wymagają pozwoleń środowiskowych, a działanie tych pomp nie jest uzależnione od przepływu wody gruntowej. Jednak pompy ciepła w systemie zamkniętym są nieefektywne, jeśli chodzi o przenoszenie ciepła i wymagają wykonania pewnej liczby odwiertów. Nawet do ogrzania obiektu handlowego o umiarkowanej wielkości może być potrzebne wykonanie wielu studni. Natomiast pompy ciepła działające w układzie otwartym charakteryzują się większą efektywnością przenoszenia ciepła, jednak są też uzależnione od znacznego lokalnego przepływu wody gruntowej. Wtłoczenie wykorzystanej już wody schłodzonej do wód podziemnych jest jednak bardzo trudne i wymaga uzyskania wielu zezwoleń środowiskowych.
A gdyby tak stworzyć pompę ciepła, która ma zalety obydwu wyżej opisanych systemów? Po pierwsze: działającą całkowicie w systemie zamkniętym, ale mającą znacznie większą wydajność cieplną na 1 metr długości kolektora i po drugie: nadającą się praktycznie do ogrzewania większych obiektów handlowych? Odpowiedzią może być geotermalna pompa ciepła wspomagana konwekcją.
Zwiększenie wydajności pompy ciepła
Problem z pompami działającymi w systemie zamkniętym polega na tym, że są ona uzależnione od przewodzenia ciepła przez materiał słabo przewodzący ciepło, tworzący grunt. Natomiast pompa typu CEGH pracuje w układzie zamkniętym oraz posiada dodatkowo system, który zwiększa wymianę ciepła z gruntem poprzez wymuszanie przepływu wody gruntowej dookoła rur kolektorów w odwiertach. W ten sposób do procesu wymiany ciepła przez przewodzenie dodaje się proces wymiany ciepła przez konwekcję.
Przez środek studni CEGH biegnie rura konwekcyjna wykonana z PVC, posiadająca otwory perforacyjne w strategicznych miejscach. Rury, przez które przepływa woda w obiegu zamkniętym, są umieszczone w studniach pomiędzy rurą konwekcyjną a ścianami studni. W miejscu będącym w przybliżeniu środkiem tej rury umieszczona jest typowa pompa zanurzeniowa. Pompa ta tłoczy wodę gruntową z dolnej połowy studni na górę i rozprowadza ją promieniowo dookoła orurowania studni poprzez otwory perforacyjne w rurze środkowej oraz pokrywie i przegrodzie.
Konstrukcja pompy CEGH jest opatentowana. Zbudowano prototyp i przetestowano go, porównując z konwencjonalną pompą ciepła, pracującą w układzie zamkniętym. Wyniki testów pokazały znaczne zwiększenie przenoszenia ciepła oraz absorpcji energii z gruntu przez pompę CEGH.
Ponieważ CEGH jest nową koncepcją, nie opracowano jeszcze dla niej procedur testowych. Zamiast tego zaprojektowano i wykonano oryginalny układ testowy. Celem tego było otrzymanie danych liczbowych oraz informacji na temat wydajności pompy CEGH w porównaniu z konwencjonalną pompą ciepła.
Ta oryginalna konstrukcja testowa umożliwiła elastyczność użycia oraz zebranie konkretnych danych. Wykonano jeden odwiert w gruncie. Umieszczono w nim konwencjonalny kolektor rurowy działający w układzie zamkniętym i po podłączeniu do instalacji wykonano test absorpcji ciepła. Następnie wyjęto ze studni ten kolektor, zainstalowano na jego miejsce kolektor CEGH, a następnie wykonano dokładnie te same testy, co poprzednio.
Ogrzana woda krążyła ze stałym natężeniem przepływu przez kolektory w studni w każdym z przypadków. Mierzono i zapisywano temperaturę oraz natężenie przepływu (w galonach na minutę; 1 GPM = 3,79 dm3/min) na wejściu i wyjściu studni dla pompy konwencjonalnej i CEGH. Na podstawie pomiarów temperatury i przepływu wody obliczono ilość ciepła w BTU/h (1000 BTU/h = 0,293 kW) oraz całkowitą w BTU (1000 BTU = 0,293 kWh) w obydwu przypadkach.
Budowa układu testowego
Elementy układu testowego: elektryczny podgrzewacz wody, pompy oraz elementy hydrauliczne (system działa pod ciśnieniem) znajdowały się w obudowach wykonanych z aluminium pokrytego powłoką antykorozyjną. Wykorzystano podgrzewacz elektryczny typu Thermolec Model B-15U-FFB (moc: 51,180 BTUH / 15 kW, zasilanie: 3 × 208 V) z triakowym regulatorem mocy. Elektroniczny regulator fazowy w odróżnieniu od prostego układu włącz/wyłącz umożliwia płynną regulację mocy podgrzewacza i zarazem temperatury wody.
Do wymuszania krążenia wody w rurach w studni oraz układzie testowym użyto 3-biegowej pompy obiegowej firmy Grundfos. Do pomiarów przepływu w układzie testowym zainstalowano czujnik magnetyczno-indukcyjny z serii MFS2 firmy Dwyer Instruments. Natomiast do pomiaru temperatury wody na wlocie i wylocie podgrzewacza oraz z układu testowego zainstalowano czujniki typu ACT A/TTK-1-2.5”-GD.
Czujniki przepływu podawały wartość w galonach na minutę, natomiast temperatury w stopniach F. Wszystkie pięć czujników podłączono do pracującego w sieci rejestratora danych DI-808 firmy Dataq Instruments. Następnie uruchomiono pompę, odczekano na ustabilizowanie się wartości przepływów oraz temperatur i rozpoczęto rejestrację. Wyniki pomiarów były odczytywane i zapisywane co kilka minut przez kilka dni.
Konstrukcja prototypu pompy CEGH
Wykonano odwiert o średnicy 6-1/2’’ (165,1 mm) w gruncie. Do studni wprowadzono na głębokość 400 stóp (122 m) proste odcinki rury PVC (rury konwekcyjnej) o średnicy 3’’ (76,2 mm) wraz z otaczającymi je 6 rurami z HDPE o średnicy ½’’ (12,7 mm). W różnych miejscach rur znajdowały się uszczelki. Rury z HDPE na początku były zwinięte w zwoje o średnicy około 3’’ (76,2 mm). Przygotowano uchwyty zwojów z rolkami i prostownikami rur wykonanymi z rolek, aby podtrzymywać zwoje rur HDPE i pomóc w opuszczeniu rury do odwiertu. Zwijanie lub rozwijanie zwoju powodowało przemieszczanie się rury przez prostowniki rurowe w dół do odwiertu.
Pompa zanurzeniowa wraz z elektrycznymi przewodami zasilającymi oraz uszczelką rurową została opuszczona do środka rury konwekcyjnej mniej więcej na wysokość jej środka. Zadaniem specjalnie przygotowanej „uszczelki rurowej” było wypełnienie przestrzeni pomiędzy rurami wylotowymi pompy a rurą konwekcyjną. Uszczelka ta hydraulicznie oddziela górną połowę (wylotową) rury konwekcyjnej od jej połowy dolnej (ssania). Uszczelka rurowa była umieszczona w przybliżeniu na takim samym poziomie jak uszczelka studni. W niektórych odcinkach rury wylotowej wywiercono otwory, aby pompowana woda mogła wlewać się do wnętrza rury konwekcyjnej poprzez perforacje tej rury oraz do studni i dalej do ziemi.
Trzy z sześciu końców rur HDPE ¾’’, wychodzących ze studni zostały podłączone do rozdzielacza 3x¾’’/1-1/4’’. Pozostałe trzy końce podłączono do drugiego podobnego rozdzielacza, co utworzyło wlot do studni z układu testowego oraz wylot ze studni do układu testowego. Jedną z rur 1-1/4’’ podłączono do wlotu układu testowego, a drugą do wylotu układu testowego, tak jak do testu podstawowego pompy konwencjonalnej. Układ testowy i studnia zostały wypełnione wodą, następnie uruchomiono układ. Test pompy CEGH przeprowadzono tak samo jak pompy konwencjonalnej.
Wyniki testu oraz ich analiza
Podczas każdego z testów mierzono natężenie przepływu oraz temperaturę wody dopływającej i wypływającej do układu testowego oraz podgrzewacza. Wyniki tych pomiarów były zapisywane co dwie minuty za pomocą rejestratora danych w postaci plików CSV. Ciepło pobrane przez studnię, mierzone w MBH (1 MBH = 1000 BTU/h = 0,293 kW) obliczano na podstawie natężenia przepływu oraz temperatury wody dopływającej do układu testowego (lub temperatury wody powrotnej w studni – RW) oraz wody wypływającej z układu testowego. Układ testowy zwykle dostarczał do studni około 40 MBH ciepła (11,72 kW).
Tabela 1 poniżej podaje wyniki testów w postaci porównania skumulowanego ciepła zaabsorbowanego przez studnię dla obydwu przypadków – pompy konwencjonalnej oraz CEGH. Wartości tego ciepła obliczono na podstawie wyników pomiarów podczas pierwszego zapisu 2-minutowego po tym, gdy temperatura wody powrotnej osiągała ustalone wartości: 70°F, 75°F, 80°F, 85°F oraz 90°F (21,1°C, 23,9°C, 26,7°C, 29,4°C oraz 32,2°C).
Wykonane testy symulowały działanie pompy ciepła w trybie chłodzenia (klimatyzacji domu), gdy studnia pochłaniała ciepło oddawane przez układ chłodniczy pompy. Temperatura wody powrotnej to temperatura wody wypływającej ze studni, która byłaby normalnie wykorzystywana do „chłodzenia” skraplaczy systemu. Woda dopływająca do pompy ciepła (woda powrotna ze studni) o temperaturze powyżej 90°F (32,2°C) nie jest użyteczna. Temperatura wody powrotnej odnosi się do temperatury studni. Gdy temperatura studni rośnie, wymiana ciepła ze studnią (gruntem) zostaje zmniejszona, ponieważ różnica temperatur pomiędzy wodą dopływającą do studni a otaczającym ją gruntem zostaje zmniejszona.
Jak pokazuje tabela z wynikami testów, pompa ciepła CEGH zaabsorbowała 2,4 razy większą energię cieplną niż porównywalna pompa konwencjonalna w układzie zamkniętym, zanim temperatura wody powrotnej nie wzrosła ponad wartość użyteczną. Oznacza to, że pompa ciepła CEGH może posiadać w przybliżeniu 2,4 razy większą wydajność od porównywalnej pompy konwencjonalnej, działającej w systemie zamkniętym.
Podsumowanie
Test prototypu pompy CEGH udowodnił słuszność głównej koncepcji geotermalnej pompy ciepła ze wspomaganiem konwekcyjnym. Poprzez wymuszenie przepływu wody gruntowej dookoła rur kolektora pompy geotermalnej umieszczonego w studni wydajność pompy ciepła może zostać zwiększona. Wyniki testów pokazały także, że ogólny projekt oraz konstrukcja pompy CEGH powoduje wymuszenie przepływu wody gruntowej dookoła rur kolektora. Już podczas pierwszej próby udało się nam wykonać funkcjonalny system, który podczas testów uzyskał bardzo pozytywne wyniki. Dlatego można śmiało powiedzieć, że koncepcja pompy CEGH jest wykonalna.
Istnieje powód, aby uważać, że lokalizacja studni dla naszej pompy ciepła ze wspomaganiem konwekcyjnym oraz instalacja tej pompy nie były optymalne. Można by oczekiwać lepszych wyników w przypadku przyszłych instalacji w innych lokalizacjach. W naszym przypadku podczas wykonywania odwiertu nie natrafiono na podłoże skalne aż do głębokości 120 stóp (36,6 m), a na wodę gruntową aż do głębokości około 250 stóp (76,2 m). Pierwsze 120 stóp głębokości studni zawierało obudowę stalową, natomiast materiał skalny na głębokości od 120 do 250 stóp były ciasno ułożony i znajdowało się w nim niewiele szczelin, przez które mogła przepływać woda.
Ponieważ wydajność konwencjonalnych geotermalnych pomp ciepła w systemie zamkniętym zależy tylko od przewodzenia ciepła przez grunt otaczający kolektory, to te warunki skalne nie wpływają na wydajność pomp. Jednak prawdopodobnie mają one duży wpływ na wydajność pompy ze wspomaganiem konwekcyjnym, ponieważ w przypadku testowym tylko odcinek o długości 150 stóp (45,7 m) całej głębokości odwiertu równej 400 stóp (121,9 m) był użyteczny, jeśli chodzi o konwekcję (przepływ wody gruntowej).
1 ang. building electrification, czyli przechodzenie na wykorzystywanie energii elektrycznej do ogrzewania i gotowania
2 ground source heat pumps; GSHP
3 convection enhanced geothermal heat pump, CEGH
Dean Azzam, prezes firmy Aztech Engineers, Inc.